미국 캘리포니아대 LA캠퍼스 연구팀이 방사성 원소인 토륨을 투명도가 높은 결정에 삽입하고 원자핵을 레이저로 여기하는 데 성공했다고 보고했다. 이번 연구로 인해 기존보다 더 정확한 원자시계 개발 등으로 이어질 가능성이 있을 것으로 기대된다.
레이저를 사용해 원자나 분자 에너지를 고정밀로 측정하는 기술은 원자시계나 화학 분석법 등에 사용되고 있다. 예를 들어 기존 원자시계는 세슘 등 원소를 둘러싼 전자 에너지 변화를 측정해 시간 경과를 고정밀로 측정하는 걸 가능하게 한다. 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 전자보다 무겁고 안정적이기 때문에 원자핵 에너지 변화를 측정할 수 있다면 더 정확한 원자시계를 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 원자핵을 둘러싼 전자는 빛과 반응하기 쉽기 때문에 원자핵에 충분한 레이저를 쏘아 여기시키는 건 어려웠다고 한다.
이에 따라 연구팀은 토륨 동위원소인 토륨229를 불소가 풍부하게 포함된 투명한 결정 안에 삽입하고 레이저로 여기시키는 방법을 실험했다. 불소는 다른 원자와 강한 결합을 형성해 토륨229 원자핵을 거미줄에 걸린 파리처럼 노출시킨다. 동시에 불소는 전자와도 강하게 결합하기 때문에 전자가 여기되는 데 필요한 에너지량도 증가한다. 이로 인해 평소보다 더 많은 레이저광이 전자에 방해받지 않고 토륨229 원자핵까지 도달하게 되는 것.
실제로 연구팀은 이 방법으로 토륨229 원자핵을 레이저로 여기시키고 해당 에너지량을 측정하는 데 성공했다. 연구팀은 지금까지는 레이저로 이런 핵 전이를 일으키는 게 불가능했다며 투명한 결정으로 토륨을 고정하면 빛으로 토륨과 대화할 수 있게 된다고 밝혔다.
연구팀에 따르면 이 기술은 센서와 통신, 내비게이션 등 극도로 정확한 시간 측정이 요구되는 모든 곳에서 이용 가능하다고 한다. 전자를 기반으로 한 기존 원자시계는 원자를 가두기 위한 진공 챔버와 냉각 장치를 갖춘 대규모지만 토륨 기반의 원자시계는 더 정확할 뿐 아니라 작고 견고하며 휴대하기 쉽다고 한다.
또 원자핵 여기를 고감도로 측정해 물질·에너지·공간·시간 등 법칙에 대해 더 자세한 검증이 가능해질 것으로 기대된다. 연구팀은 제한된 관점에서 할 수 있는 관찰로는 세계는 크기·시간·에너지 등 다른 스케일에서의 효과 집합체이며 정식화한 자연 상수는 이 레벨에서 유지되고 있는 것 같지만 더 정확하게 관측할 수 있다면 이런 상수는 변화할지도 모른다면서 이번 연구는 이런 측정을 향한 큰 한 걸음이라고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.